1、20921-3A第3章焊接接頭的組織和性能3.1焊接熔池和焊縫3.2焊接熱影響區3.3熔合區20921-3A3.1焊接熔池和焊縫焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所組成的具有一定幾何形狀的液態區域，而焊縫是指熔池凝固后所形成的固態區域。因此，焊接熔池和焊縫之間存在著內在的、必然的聯系。也就是說，焊縫金屬的組織和性能不僅取決于焊縫的相變行為，而且受到焊接熔池結晶行為的直接影響。20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點1.非平衡的動態結晶(1) 熔池體積小、冷卻速度大焊接熔池體積小，其周圍被體積很大的母材金屬所包圍，熔池界面導熱條件很好，故熔池冷卻速度很快，其平均值可達到100/s，約為鑄

2、造時的104倍。(2) 熔池過熱、溫度梯度大焊接熔池中的液態金屬處于過熱狀態，如低碳鋼的焊接熔池平均溫度可達到1870，遠高于鑄造時的最高平均溫度1550。20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點(3) 熔池在動態下結晶焊接熔池中金屬的結晶和熔化是同時進行的，結晶前沿隨焊接熱源而移動，而且焊接條件下各種力的作用會使正在結晶中的熔池受到激烈的攪拌。2.聯生結晶和競爭成長(1) 聯生結晶焊接熔池的結晶過程一般是從熔池邊界開始的，非自發晶核就依附在半熔化的母材晶粒表面上。圖3-1聯生結晶及競爭成長a) 示意圖b) 微觀照片20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點(2) 競爭成長結晶理論告訴我

3、們，每一種晶體點陣都存在一個結晶速度最快的最優結晶取向，而且溫度梯度的方向對結晶速度也有極為重要的影響。3.結晶速度和方向動態變化(1) 結晶速度的表達式如上所述，熔池結晶總是從熔池邊界處半熔化的母材晶粒上開始形核并向焊縫中心成長的。20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點(2) 成長速度和方向的變化由式(3-2)可以看出，在焊接速度v一定的條件下，晶粒成長速度R僅取決于結晶等溫面法線方向與焊接方向的夾角或晶粒成長方向與焊接方向的夾角20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點圖3-2晶粒成長速度與焊接速度的關系20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點圖3-3晶粒成長速度和方向的變化2

4、0921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點圖3-4焊接速度對晶粒成長方向的影響a) 高速焊b) 低速焊20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點圖3-5焊接速度對晶粒成長速度的影響20921-3A3.1.1焊接熔池的結晶特點(3) 焊接速度對成長速度和方向的影響如緒論中所述，焊接速度增加時，焊接溫度場的范圍變小，熔池形狀變得細長。20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態1.熔池結晶的典型形態(1) 平面結晶當固-液界面前方液相中的溫度梯度G(即溫度曲線的斜率dT/dx)很大時，液相溫度曲線T不與結晶溫度曲線TL相交，因而液相中不存在成分過冷區，如圖3-6a所示。圖3-6平面結晶形態a)

5、成分過冷條件b) 形成機理示意圖c) 平面晶微觀照片20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態(2) 胞狀結晶當固-液界面前方液相中的溫度梯度G較大時，液相溫度曲線T與結晶溫度曲線TL在短距離x內相交，形成較小的成分過冷區，如圖3-7a所示。圖3-7胞狀結晶形態a) 成分過冷條件b) 形成機理示意圖c) 胞狀晶微觀照片20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態(3) 胞狀樹枝結晶隨固-液界面前方液相中的溫度梯度G的減小，液相溫度曲線T與結晶溫度曲線TL相交的距離x增大，所形成的成分過冷區增大，如圖3-8a所示。圖3-8胞狀樹枝結晶形態a) 成分過冷條件b) 形成機理示意圖c) 胞狀樹枝晶微

6、觀照片20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態(4) 樹枝狀結晶當固-液界面前方液相中的溫度梯度G進一步減小時，液相溫度曲線T與結晶溫度曲線TL相交的距離x進一步增大，從而形成較大的成分過冷區，如圖3-9a所示。圖3-9樹枝狀結晶形態a) 成分過冷條件b) 形成機理示意圖c) 樹枝晶微觀照片20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態(5) 等軸結晶當固-液界面前方液相中的溫度梯度G很小時，液相溫度曲線T與結晶溫度曲線TL在很遠處相交，從而在液相中形成很大的成分過冷區，如圖3-10a所示。圖3-10等軸結晶形態a) 成分過冷條件b) 形成機理示意圖c) 等軸晶微觀照片20921-3A3.1

7、.2焊接熔池的結晶形態2.焊縫中的結晶組織(1) 結晶組織的分布在焊接熔池中，不同部位具有不同的溫度梯度G和結晶速度R，因而具有不同的成分過冷，出現不同的結晶形態，從而在焊縫中形成分布不同的結晶組織，如圖3-12所示。(2) 焊接條件對結晶組織的影響如前所述，對結晶組織起控制作用的成分過冷主要受到熔池金屬中溶質含量W、熔池結晶速度R和液相溫度梯度G的影響。20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態表3-1焊接參數對HY-80鋼焊縫結晶組織的影響焊接速度/(mm/min)焊接電流/狀晶胞狀樹枝晶粗大的胞狀樹枝晶100胞狀晶細小的胞狀樹枝晶粗大的胞狀樹枝晶20921-3

8、A3.1.2焊接熔池的結晶形態圖3-11W、R和G對結晶形態的影響20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態圖3-12焊縫中結晶組織的分布20921-3A3.1.2焊接熔池的結晶形態圖3-13不同母材的焊縫組織a) 1100Alb) Fe-15Cr-15Nic) ZM620921-3A3.1.3焊縫的相變組織1.低碳鋼焊縫的相變組織(1) 鐵素體和珠光體低碳鋼焊縫具有較低的含碳量，發生固態相變后的組織主要由鐵素體和少量的珠光體組成。20921-3A3.1.3焊縫的相變組織表3-2冷卻速度對低碳鋼焊縫組織和硬度的影響冷卻速度/(/s)焊縫組織的體積分數(%)焊縫硬度HV鐵素體珠光體182181

9、6557921167106535185356139195504060205110386222820921-3A3.1.3焊縫的相變組織(2) 魏氏組織在發生過熱的低碳鋼焊縫中，還可能出現塑性和韌性很差的魏氏組織，如圖3-14所示。圖3-14低碳鋼焊縫中的魏氏組織20921-3A3.1.3焊縫的相變組織2.低合金鋼焊縫的相變組織圖3-15低合金鋼焊縫相變組織的分類及形態20921-3A3.1.3焊縫的相變組織(1) 鐵素體F低合金鋼焊縫中的鐵素體，具有比較復雜的形態。圖3-16含有不同鐵素體的低合金鋼焊縫組織a) GBFb) FSPc) AFd) FGF20921-3A3.1.3焊縫的相變組織1

10、) 先共析鐵素體GBF。2) 側板條鐵素體FSP。3) 針狀鐵素體AF。4) 細晶鐵素體FGF。(2) 珠光體P珠光體是鐵素體和滲碳體的層狀混合物，是低合金鋼在接近平衡狀態下(如熱處理時的連續冷卻過程)，在Ac1550溫區內發生擴散相變的產物。圖3-17含有不同珠光體的低合金鋼焊縫組織a) b) c) 20921-3A3.1.3焊縫的相變組織(3) 貝氏體B貝氏體是在550Ms溫區內發生的擴散-切變型相變的產物。1) 上貝氏體Bu。2) 下貝氏體BL。3) 粒狀貝氏體BG或條狀貝氏體BP。(4) 馬氏體M馬氏體是在Ms點以下溫區內發生的切變型相變的產物。1) 板條馬氏體MD。20921-3A3

11、.1.3焊縫的相變組織圖3-19馬氏體形態示意圖a) b) 20921-3A3.1.3焊縫的相變組織圖3-18含有不同貝氏體的低合金鋼焊縫組織a) b) c) 20921-3A3.1.3焊縫的相變組織2) 片狀馬氏體MT。(5) 焊縫最終組織的構成以上介紹了低合金鋼焊縫中可能出現的全部組織，但每個焊縫不可能完全包含這些組織，而只是由其中的幾種組織所構成。圖3-20典型低合金鋼焊縫的CCT圖20921-3A3.1.4焊縫組織和性能的控制1.冶金方面的控制(1) 錳和硅的作用錳和硅是焊縫中最常用的合金化元素，它們不僅能脫氧而使焊縫得到強化，還能改變焊縫組織形態而影響焊縫的韌性。圖3-21錳和硅的含

12、量對低強焊縫金屬韌性的影響20921-3A3.1.4焊縫組織和性能的控制(2) 鈦和硼的作用在焊縫中加入微量的鈦和硼等活性元素，能明顯起到細化焊縫組織的作用，從而顯著提高焊縫的韌性。圖3-22鈦和硼的含量對焊縫金屬韌性的影響a) 鈦含量的影響b) 硼含量的影響20921-3A3.1.4焊縫組織和性能的控制圖3-23鉬含量對焊縫金屬韌性的影響20921-3A3.1.4焊縫組織和性能的控制(3) 鉬的作用在低合金鋼焊縫中只要加入少量的鉬，就能降低奧氏體的分解溫度，抑制先共析鐵素體的形成，從而提高焊縫的強度和韌性。(4) 稀土元素的作用稀土是化學活性極強的元素，能與鋼中的合金元素發生相互作用，改善焊

13、縫的組織以及夾雜物的形態和分布，從而提高焊縫的韌性。圖3-24藥皮中釔的加入量對焊縫韌性的影響20921-3A3.1.4焊縫組織和性能的控制2.工藝方面的控制(1) 焊接工藝優化1) 工藝參數調整。2) 采用多層焊接。(2) 振動結晶與錘擊處理1) 振動結晶。圖3-25電磁振動對鐵素體不銹鋼焊縫組織的影響a) 無電磁振動b) 有電磁振動20921-3A3.1.4焊縫組織和性能的控制2) 錘擊處理。(3) 焊后熱處理1) 跟蹤熱處理。2) 整體或局部熱處理。20921-3A3.2焊接熱影響區焊接熱影響區是焊接接頭的重要組成部分，是焊縫兩側未經過熔化但組織和性能發生變化的區域。由于焊接熱影響區不同

14、部位所受熱作用的不一致性，造成其內部組織和性能的分布極不均勻，以致可能使其成為焊接接頭的最薄弱環節。因此，研究熱影響區在焊接熱循環作用下組織和性能的變化規律，對于解決焊接問題、提高焊接質量具有十分重要的意義。20921-3A3.2.1焊接熱影響區的組織轉變特點1.焊接加熱過程的組織轉變特點(1) 組織轉變向高溫推移由于焊接加熱速度快，導致鋼鐵材料的相變溫度Ac1和Ac3升高。(2) 奧氏體均質化程度降低、部分晶粒嚴重長大奧氏體均質化過程也是擴散過程，由于焊接加熱速度快，高溫停留時間短，不利于擴散過程的進行，因而使奧氏體均質化程度降低。20921-3A3.2.1焊接熱影響區的組織轉變特點表3-3

15、加熱速度對相變溫度A和A的影響鋼材牌號相變溫度/加熱速度/(/s)平衡狀態6840502503001400170045鋼A730770775790840A770820835860950A-A4050607011040CrA740735750770840A780775800850940A-A4040508010023MnA735750770785830A830810850890940A-A95608010511020921-3A表3-3加熱速度對相變溫度A和A的影響30CrMnSiA740740775825920A820790835890980A-A805060656018Cr2WVA71080

16、08609301000A81086093010201120 A-A10060709012020921-3A3.2.1焊接熱影響區的組織轉變特點2.焊接冷卻過程的組織轉變特點(1) 組織轉變向低溫推移、可形成非平衡組織在奧氏體均質化程度相同的情況下，隨著焊接冷卻速度的加快，鋼鐵材料的相變溫度Ac1、Ac3以及Acm均降低。(2) 馬氏體轉變臨界冷速發生變化在焊接熱循環的作用下，熔合線附近的晶粒因過熱而粗化，增加了奧氏體的穩定性，使淬硬傾向增大；另一方面，鋼中的碳化物由于加熱速度快、高溫停留時間短而不能充分溶解在奧氏體中，降低了奧氏體的穩定性，使淬硬傾向降低。3.熱影響區組織的確定方法20921-

17、3A3.2.1焊接熱影響區的組織轉變特點圖3-26熱循環參數對CCT曲線的影響a) 的影響b) 的影響20921-3A3.2.1焊接熱影響區的組織轉變特點圖3-27焊條電弧焊的線算圖20921-3A3.2.1焊接熱影響區的組織轉變特點圖3-28Q345(16Mn)鋼的CCT圖及對組織和硬度的影響a) CCT圖b) 對組織的影響c) 對硬度的影響20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征1.不易淬火鋼熱影響區的組織分布20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征表3-4焊接方法對焊接熱影響區各區尺寸的影響焊接方法各區平均寬度/mm熱影響區總寬/mm過熱區完全重結晶區不完全重結晶區焊條電

18、弧焊2230152522306085埋弧自動焊0812081707102340電渣焊182057232530氧乙炔焊214227電子束焊00507520921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征圖3-29冷軋態不易淬火鋼焊接熱影響區的組織分布及其溫度區間過熱區完全重結晶區不完全重結晶區再結晶區母材20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征(1) 過熱區過熱區又稱粗晶區，其緊鄰熔合區，峰值溫度范圍從晶粒急劇長大的溫度一直到固相線的溫度。圖3-30Q235A鋼焊接熱影響區及母材的組織特征a) 過熱區b) 完全重結晶區c) 不完全重結晶區d) 母材20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織

19、特征(2) 完全重結晶區完全重結晶區又稱正火區或細晶區，其峰值溫度范圍從Ac3一直到晶粒急劇長大的溫度。(3) 不完全重結晶區不完全重結晶區又稱部分相變區或不完全正火區，其峰值溫度介于Ac1Ac3之間。(4) 再結晶區焊前經過冷作硬化的鋼板，在峰值溫度介于500Ac1之間的熱影響區中會出現一個明顯的再結晶區，其組織特征為等軸晶粒。2.易淬火鋼熱影響區的組織分布20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征圖3-31不同類型鋼材焊接熱影響區的組織分布過熱區完全重結晶區不完全重結晶區完全淬火區不完全淬火區回火區20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征(1) 完全淬火區完全淬火區是指焊接熱

20、影響區中峰值溫度達到Ac3以上的區域，它包括了相當于不易淬火鋼的過熱區和正火區兩部分。圖3-3212Cr2MoWVTiB鋼焊接熱影響區及母材的組織特征a) 過熱區(粗大馬氏體)b) 正火區(細小馬氏體+少量粒狀貝氏體)c) 不完全淬火區(鐵素體+馬氏體+粒狀貝氏體+少量鐵素體-碳化物)d) 母材(鐵素體-碳化物)20921-3A3.2.2焊接熱影響區的組織特征(2) 不完全淬火區不完全淬火區是指焊接熱影響區中峰值溫度處于Ac1Ac3之間的區域，它相當于不易淬火鋼的不完全重結晶區。(3) 回火區焊前處于調質狀態的母材，熱影響區中除了具有以上兩個特征區外，還明顯存在一個回火區，其峰值溫度低于Ac1

21、但高于原來調質處理的回火溫度。20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能1.焊接熱影響區的性能分布(1) 硬度的分布焊接熱影響區的硬度實質是焊接影響區微觀組織的反映，是評價鋼種淬硬傾向的重要指標。20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能表3-5低合金鋼焊接熱影響區中過熱區微觀組織對硬度的影響微觀組織的體積分數(%)硬度HV鐵素體珠光體貝氏體馬氏體10783021210702929800198138400010039320921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能1) 最高硬度。圖3-33不同鋼種焊接熱影響區的硬度分布a) 不易淬火的20Mn鋼b) 易淬火的調質鋼20921-3A3.2.3焊

22、接熱影響區的性能2) 最低硬度。20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能表3-6不同強度級別的鋼種所允許的最高硬度日本鋼種相當于國產鋼種強度/MPa最高硬度HV調質非調質正火HW36Q345(16Mn)353520637390HW40Q390(15MnV)392559676400HW45Q420(15MnVN)441588706410380HW5014MnMoV490608725420390HW5618MnMoNb549668804420HW6312Ni3CrMoV617706843435HW7014MnMoNbB68678493145020921-3A表3-6不同強度級別的鋼種所允許的最

23、高硬度HW8014Ni2CrMoMnVCuB7848621030470HW9014Ni2CrMoMnVCuN882961112748020921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能(2) 力學性能的分布焊接熱影響區最基本的力學性能就是強度和塑性，由于熱影響區上微觀組織的分布是不均勻的，因而強度和塑性的分布也是不均勻的，甚至在某些部位出現遠低于被焊母材的情況，從而使焊接熱影響區成為整個接頭的一個薄弱環節。1) 不易淬火鋼熱影響區的力學性能。圖3-34Q345(16Mn)鋼焊接熱影響區的力學性能a) 各區力學性能的分布b) 冷卻速度對過熱區性能的影響20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能2)

24、易淬火鋼熱影響區的力學性能。圖3-3530CrMnSiA鋼焊接熱影響區的強度分布20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能2.焊接熱影響區的脆化圖3-36碳錳鋼焊接熱影響區的韌性分布過熱區完全重結晶區不完全重結晶區藍脆區20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能(1) 粗晶脆化粗晶脆化是指焊接熱影響區因晶粒粗大而發生韌性降低的現象。(2) 組織脆化組織脆化是指焊接熱影響區因形成脆硬組織而引起韌性降低的現象，具體包括片狀馬氏體脆化和M-A組元脆化。1) 片狀馬氏體脆化。2) M-A組元脆化。圖3-37過熱區脆性轉變溫度V、M-A組元數量與之間的關系a) V與M-A組元數量的關系b) M-A組

25、元數量與的關系20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能圖3-38焊接熱輸入E對過熱區組織及脆性轉變溫度V的影響20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能(3) 時效脆化時效脆化是指焊接熱影響區在Ac1以下的一定溫度范圍內經一定時間的時效后，因出現碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相而發生的脆化現象，其具體包括熱應變時效脆化和相析出時效脆化。1) 熱應變時效脆化。2) 相析出時效脆化。20921-3A3.2.3焊接熱影響區的性能表3-7低合金鋼中常見的沉淀相類型尺寸/nm析出部位析出難易TiN10相內難NbC、TiC、BC100晶界及亞結構易NbC、TiC100形變誘發晶界易NbC、

26、TiC、V(CN)10/相界易NbC、TiC、V(CN)10相內難20921-3A3.3熔合區熔合區是介于焊縫與熱影響區之間的相當窄小的過渡區，是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所組成的區域。其化學成分、微觀組織和力學性能極不均勻，常常是熱裂紋、冷裂紋及脆性相的發源地，從而成為焊接接頭的最薄弱環節。20921-3A3.3.1熔合區的邊界1.熔合區的理論邊界2.熔合區的實際邊界圖3-39熔合區的邊界示意圖a) 理論邊界b) 實際邊界1焊縫2熔合區3熱影響區TML理論熔化線TNL理論不熔化線PML實際熔化線PNL實際不熔化線20921-3A3.3.2熔合區的形成機理圖3-40用于說明液相形成機理的共晶合金相圖20921-3A3.3.2熔合區的形成機理1.液相的形成方式(1) +AxBy共晶的直接熔化對于成分為C1的合金來講，在其原始的相晶界處可能含有+AxBy離異共晶；而成分為C2的合金，其主要組成物為相和+AxBy共晶。(2) 與AxBy發生共晶反應而熔化無論是成分為C1的合金，還是成分為C2的合金，其內一般都含有大量的相和一定量的AxBy中間相。(3) 相的直接熔化對于成分為C1的合金來講，當焊前處于固溶加淬火的狀態時，其內既沒有AxBy中間相，也沒有+A